ابتكر علماء صينيون إستراتيجية جديدة، مكنتهم من بناء مادة ضوئية-حرارية ثلاثية الأبعاد عالية الكفاءة لتبخير مياه البحر بالطاقة الشمسية، ما أسهم في خفض استهلاك الطاقة بنسبة 45.7%، وتحقيق معدل تبخير قياسي، كما أثبتت النتائج إمكانية استخدام هذه التقنية لإنتاج مياه الشرب وري المحاصيل الزراعية.
ووفقاً للدراسة التي أجراها الفريق البحثي المشترك من معهد «هندسة العمليات التابع للأكاديمية الصينية للعلوم» وجامعة «شنتشن»، فإن التبخير المدفوع بالطاقة الشمسية يعد من أكثر الحلول الواعدة لتحويل مياه البحر إلى مياه عذبة باستخدام الطاقة المتجددة، غير أن تطبيق هذه التقنية على نطاق واسع ظل يواجه تحديات رئيسية تتعلق بصعوبة الجمع بين الكفاءة العالية والمتانة والاستقرار والجدوى الاقتصادية في آن واحد.
وقام الخبراء للتغلب على هذه التحديات باستغلال الخصائص البنيوية للهياكل المجوفة متعددة الأغلفة (HoMS)، وطوروا إستراتيجية تعتمد على إدخال السلاسل الجزيئية للبوليمرات داخل الأغلفة المسامية لهذه الهياكل بطريقة تشابكية تشبه «القفل الجزيئي»، وأدى هذا التصميم إلى توزيع الجسيمات النانوية بصورة متجانسة داخل بنية ضوئية-حرارية ثلاثية الأبعاد، مكوناً تركيباً هرمياً يشبه «الغابة النانوية»، بما يمنع تكتل الجسيمات ويعزز كفاءة نقل المياه.
وأظهرت نتائج الاختبارات أن البنية الجديدة تحقق امتصاصاً واسعاً لأشعة الشمس بنسبة 90.2%، وتخفض استهلاك الطاقة للتبخير بنسبة 45.7%، كما سجلت معدل تبخير قياسياً بلغ 38.14 ± 0.57 كيلوغرام لكل متر مربع في الساعة، مع الحفاظ على استقرار الأداء لمدة عام كامل.
وتكمن أهمية هذا الابتكار المطور أنه يلبي الاحتياجات الأساسية للشرب، إلى جانب أن المياه المحلاة الناتجة عن الجهاز استخدمت لري قطعة أرض تجريبية مساحتها خمسة أمتار مربعة لمدة عام، ونجحت عدة محاصيل زراعية، من بينها الذرة والخضراوات الورقية، بإكمال دورة نموها بالكامل، ما أثبت جدوى استخدام هذه التقنية في الري الزراعي، ويوفر كذلك مساراً عملياً ومستداماً لتطوير حلول مائية مدفوعة بالطاقة الشمسية، ويعزز إمكانات توظيفها في مجالات تمتد من تحلية مياه البحر إلى الري الزراعي.
Chinese scientists have developed a new strategy that enabled them to build a highly efficient three-dimensional photothermal material for evaporating seawater using solar energy, which contributed to a 45.7% reduction in energy consumption and achieved a record evaporation rate. The results also demonstrated the potential of using this technology for producing drinking water and irrigating agricultural crops.
According to the study conducted by the joint research team from the Institute of Process Engineering at the Chinese Academy of Sciences and Shenzhen University, solar-driven evaporation is one of the most promising solutions for converting seawater into fresh water using renewable energy. However, the widespread application of this technology has faced major challenges related to the difficulty of combining high efficiency, durability, stability, and economic feasibility simultaneously.
To overcome these challenges, experts exploited the structural properties of hollow multi-shell structures (HoMS) and developed a strategy that involves introducing polymer molecular chains into the porous shells of these structures in an interlocking manner similar to a "molecular lock." This design led to a homogeneous distribution of nanoparticles within a three-dimensional photothermal structure, forming a hierarchical structure resembling a "nanoforest," which prevents particle agglomeration and enhances water transport efficiency.
Test results showed that the new structure achieves broad sunlight absorption of 90.2%, reduces energy consumption for evaporation by 45.7%, and recorded a record evaporation rate of 38.14 ± 0.57 kilograms per square meter per hour, while maintaining performance stability for a full year.
The significance of this developed innovation lies in its ability to meet basic drinking needs, in addition to the desalinated water produced by the device being used to irrigate a test plot of five square meters for a year. Several agricultural crops, including corn and leafy vegetables, successfully completed their entire growth cycle, demonstrating the feasibility of using this technology in agricultural irrigation. It also provides a practical and sustainable pathway for developing solar-powered water solutions and enhances its potential applications in areas ranging from seawater desalination to agricultural irrigation.
